Учёные из МФТИ и МГУ им. М. В. Ломоносова предложили перспективный вариант использования нанопроводов из золота для реализации сверхпроводниковых аналогов нейронов. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. Статья по результатам исследований опубликована в журнале Nanomaterials.
Моделирование нейрофизиологических процессов в мозге живых существ — задача актуальная и очень сложная. Одна из основных проблем в этой области — недостаточное число нейронов и синапсов в современных нейроморфных процессорах, построенных на основе CMOS. К сожалению, увеличение этого числа в такого рода системах сопряжено с чувствительным ростом энергопотребления и тепловыделения.
Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, комментируя сложившуюся ситуацию, сказал:
«Лучшие на сегодня нейроморфные системы имитируют сети, состоящие примерно из одного миллиона нейронов и четверти миллиарда синапсов. Однако самые амбициозные биологические проекты ставят цели достичь 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов. Стремление к такой высокой сложности требует решений на основе новых физических принципов передачи и обработки сигналов. Мы исследовали двух- и трёхпереходные сверхпроводящие квантовые интерферометры с джозефсоновскими контактами на основе золотых нанопроволок».
Сверхпроводящие материалы уже применяются в разработке искусственных нейронов. Переключение джозефсоновского перехода (контакта сверхпроводников через прослойку диэлектрика) обеспечивает генерацию квантованного всплеска напряжения. Форма этого всплеска может быть близка к той, которая возникает в нейрофизиологических процессах. При этом искусственный нейрон можно реализовать с помощью всего двух джозефсоновских контактов. Это на порядок меньше, чем число транзисторов в аналогичных по задачам CMOS-системах. Авторы нового исследования обращают особое внимание на то, что джозефсоновские переходы могут быть реализованы в любом слое многослойной сверхпроводящей схемы, что, в принципе, позволяет реализовать сложные и энергоэффективные трёхмерные сети, организационно имитирующие биологическую нервную ткань.
Учёные из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ совместно с коллегами разработали джозефсоновские структуры на основе золотых проводов толщиной 60 нм для реализации сверхпроводящих биоинспирированных искусственных нейронов. Дополнительно разработана схема сверхпроводящего искусственного нейрона, позволяющая работать в режимах, соответствующих важным типам биологической активности, отсутствующим в ранее предложенных устройствах, включая режимы, моделирующие поведение биологических систем при нервных заболеваниях или под действием медикаментов.
Как пояснил Николай Клёнов, доцент МГУ им. М. В. Ломоносова:
«Предлагаемый нейрон способен имитировать биологическую активность, соответствующую типичной реакции нейрона на обычную внешнюю стимуляцию, а также на допороговое раздражение. Кроме того, он имитирует режим травмы — биофизическую аномалию, вызванную различными нервными заболеваниями и повреждениями нейронов, — и взрывной режим».
Проведённые эксперименты показали, что получившаяся система способная работать с частотой, превышающей частоту биологических систем сравнимой сложности, и потреблять при этом чрезвычайно небольшое количество энергии.